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原理:
磁性物質(zhì)具有自發(fā)性的磁偶極(Magnetic dipole),在外加磁場(chǎng)下,物質(zhì)中的磁偶極方向會(huì)因外界磁場(chǎng)作用而傾向沿著外加磁場(chǎng)方向。而當(dāng)外加磁場(chǎng)是交變磁場(chǎng)且交流頻率不太高時(shí)(一般在微波頻率以下),磁偶極的方向可隨著此外加交變磁場(chǎng),做來(lái)回周期性振蕩,此即交流磁化率的物理原因。
磁偶極的振蕩頻率與外加交變磁場(chǎng)頻率一致,但瞬間磁偶極方向并不一定與外加磁場(chǎng)方向相同,其間的差異可用磁偶極相對(duì)外加交變磁場(chǎng)的周期性振蕩相位差來(lái)代表。因此,一個(gè)材料的交流磁化率Xoc可以表示成Xoe-iθ,其中Xo代表材料磁導(dǎo)率強(qiáng)度,而θ就是材料磁偶距相對(duì)外加交變磁場(chǎng)的周期性振蕩相位差。為充分說(shuō)明相位差的概念,圖1中畫(huà)出外加交變磁場(chǎng)H與樣品磁偶極M隨時(shí)間的變化。當(dāng)某一瞬間時(shí)間點(diǎn),H到達(dá)**值,但M卻尚未到達(dá)**值,而是在該瞬間點(diǎn)一段時(shí)間后(ㅿt),才到達(dá)**值。這樣的現(xiàn)象即稱(chēng)為磁偶極與外加交變磁場(chǎng)間的相位差。相位差θ的大小為(ㅿt/T/π)×180°,其中T為外加交變磁場(chǎng)振蕩周期。
除了以磁導(dǎo)率強(qiáng)度Xo及相位差θ來(lái)表示材料的交流磁導(dǎo)率Xoc外,若將Xoe-iθ展開(kāi)成復(fù)數(shù)形式Xocosθ-iXosinθ,Xαc可表示為Xr+iXi,Xr=Xocosθ,稱(chēng)為交流磁化率實(shí)部(real part,Re[Xαc]),而Xi=-Xosinθ,稱(chēng)為交流磁化率虛部(imaginary part,Im[Xαc])。所以,材料的交流磁化率Xαc亦可用Re[Xαc]及Im[Xαc]來(lái)表示。而交流磁化率測(cè)量?jī)x就是在測(cè)量Re[Xαc]及Im[Xαc](或Xo及θ)。其中值得注意的是,Im[Xαc]所代表的物理意義,是該磁性材料對(duì)外加交變磁場(chǎng)能量的吸收;Im[Xαc]愈大,表示該磁性材料愈會(huì)吸收外加磁場(chǎng)的能量。
當(dāng)外加交變磁場(chǎng)的頻率改變時(shí),磁性物質(zhì)之交流磁化率也會(huì)隨之變化;但各種磁性材料交流磁化率隨外加交流磁場(chǎng)頻率的變化反應(yīng)不盡相同。本文中所述及的變頻交流磁化率測(cè)量?jī)x,其主要功能即是測(cè)量磁性物質(zhì)在不同頻率下的Re[Xαc]及Im[Xαc],調(diào)頻范圍為10Hz到25KHz。
應(yīng)用:
實(shí)例一:磁性流體交流磁化率隨外加交變磁場(chǎng)頻率的特性研究
磁性流體是一種含有磁性粒子的液體,例如我們可以將Fe3O4磁性納米粒子用親水性的葡聚糖(dextran)包覆著,再將這些磁性納米粒子分散在水中,即是水基磁性流體。我們?nèi)∑骄W又睆酱蠹s為60納米、飽和磁化率為8.4emu/g的水基磁性流體0.1ml,注入樣品管中。使用此臺(tái)變頻交流磁化率測(cè)量?jī)x測(cè)量此磁性流體在不同頻率下的Re[Xαc]和Im[Xαc],結(jié)果如圖2所示。
由圖2的結(jié)果可知,在低頻下(<3000Hz),Re[Xαc]Nor幾乎是個(gè)定值,不隨外加交變磁場(chǎng)的頻率而改變。而當(dāng)外加交變磁場(chǎng)頻率高于3000Hz后,Re[Xαc]Nor隨著頻率的增加而持續(xù)降低。而Im[Xαc]Nor隨外加交變磁場(chǎng)頻率的變化表現(xiàn)與Re[Xαc]Nor完全不同,Im[Xαc]Nor在某一特定頻率時(shí)(如圖2中的13000Hz)出現(xiàn)**值。此結(jié)果表示,該磁性流體對(duì)頻率為13000Hz的交流磁場(chǎng)之能量吸收*強(qiáng)。
相對(duì)應(yīng)于Im[Xαc]Nor**值的頻率,會(huì)隨許多材料因素而定,如磁性材料的組成成分、磁性納米粒子的大小、測(cè)量溫度等。因此,現(xiàn)今有許多合成磁性材料的研究人員,使用本變頻交流磁化率儀測(cè)量當(dāng)磁性材料本身組成改變時(shí),材料Re[Xαc]Nor及Im[Xαc]Nor隨外加交變磁場(chǎng)頻率的變化行為,籍以探討材料組成成分對(duì)材料中磁偶極動(dòng)力學(xué)特性的影響。
實(shí)例二:材料磁性濃度測(cè)量
當(dāng)合成出磁性材料后,我們經(jīng)常要測(cè)量該磁性材料的磁性濃度?,F(xiàn)今有許多儀器可供做磁性濃度測(cè)量,如震動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(Vibrating Sample Magnetometer VSM)、超導(dǎo)量子干涉振動(dòng)磁量?jī)x(SQUID magnetometer)及電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP)。這些儀器雖然有很好的功能,但都是高價(jià)儀器,不僅價(jià)格高、操作不易,使用及維護(hù)成本也不低,一般實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買(mǎi)有困難。因此讓許多研究單位或磁性材料生產(chǎn)廠商不易對(duì)所生產(chǎn)或合成出的磁性材料進(jìn)行檢測(cè),及時(shí)測(cè)知該材料的磁性濃度。本文中所介紹的變頻交流磁化率測(cè)量?jī)x,可解決使用者這些方面的困擾。
一般磁性材料的磁性濃度表示法有兩種:其一是以emu/g表示,其二是以鐵含量mg-Fe/ml(或mg-Fe/Kg)表示。而本變頻交流磁化率測(cè)量?jī)x乃是藉由測(cè)量磁性材料在特定交流頻率下的Re[Xαc]大小來(lái)決定磁性濃度。理論上,磁性濃度愈高時(shí),表示單位體積(或質(zhì)量)材料中的磁偶極強(qiáng)度愈強(qiáng),這會(huì)反映出愈高的Re[Xαc]。所以,透過(guò)磁性濃度與Re[Xαc]間的關(guān)系,我們可以從測(cè)量到的Re[Xαc]得到待測(cè)樣品的磁性濃度。圖3即是一例。
圖3中,我們?nèi)∫桓叽判詽舛鹊拇郎y(cè)樣品(如磁性流體),先使用高價(jià)儀器測(cè)得該樣品的實(shí)際磁性濃度(如5.0mg-Fe/ml),接著將高濃度的樣品稀釋成不同磁性濃度的樣品,此時(shí)這些樣品的濃度都可以依稀釋倍率得知。使用可變頻交流磁化率測(cè)量?jī)x測(cè)量這些不同磁性濃度的樣品,可得到每一個(gè)樣品的Re[Xαc]。如此,我們可以建立一條磁性濃度與Re[Xαc]的相關(guān)曲線(xiàn),如圖3所示。往后,使用者只要是合成出相同材料的磁性樣品,就可透過(guò)如圖3中的曲線(xiàn),在短短的3分鐘內(nèi),測(cè)出材料的磁性濃度。
特點(diǎn)說(shuō)明:
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